STEM教育視域下信息科技跨學科主題學習的設計與實踐

摘要：跨學科主題是義務教育信息科技課程重要內容之一。教學實踐中，信息科技跨學科主題學習還存在學科堆疊、情境虛擬、問題專業、評價單一等關鍵問題。STEM教育作為一種跨學科教育理念，打破了傳統的學科壁壘，有助于學生創造性、批判性、邏輯性思維能力的培養。STEM教育與信息科技跨學科主題學習具有綜合性、實踐性、探究性的共同特征。STEM教育視域下信息科技跨學科主題學習要注重學科融合與進階，面向真實問題的解決，通過工程設計與實現來提升學生的自主可控意識，發展學生的創新思維。

關鍵詞：STEM教育；信息科技；跨學科主題學習；跨學科思維

中圖分類號：G427 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9094（2024）05-0076-06

2022年教育部發布的《義務教育課程方案（2022版）》（以下簡稱“課程方案”）明確信息科技課程為國家課程。在教學實施過程中“開展跨學科主題教學，強化課程協同育人功能”，要求各門學科要用不少于10%的課時設計跨學科主題設計活動[1]11。跨學科主題學習對學生的數字技能、創新能力的提升、學生核心素養的培養等至關重要，同時也對教師的專業發展，地方課程、校本課程的開發提出了新要求。聯合國教科文組織發布的《探索21世紀的STEM教育》報告指出，為培養當今世界所需的卓越人才，應重新思考傳統學科的界限，因此迫切需要一種新的跨學科課程整合的方式來促成學生跨學科思維方式的形成[2]。

一、信息科技跨學科主題學習關鍵問題分析

（一）信息科技跨學科主題學習學科堆疊化

課程方案提出，在中小學要加強課程內容與學生經驗、社會生活的聯系，強化學科知識的整合，統籌設計綜合課程和跨學科主題學習，強化課程育人導向，注重培養學生綜合運用知識解決復雜問題的能力[1]5。在信息科技學科中進行跨學科主題學習時，時常將跨學科理解為簡單的學科綜合、學科堆疊?？鐚W科是一種運用兩個或兩個以上學科解決問題的方式，進行跨學科主題學習時要以學科素養目標、學科教學方法、學科教學內容三個維度為基礎建立起學科之間的內在聯系，從而避免跨學科主題的碎片化[3]。例如，“人工智能助力旅行”的跨學科教學過程中，教師將人工智能應用工具的使用與旅行過程中的線路、人文、地理知識進行分步教學，學習過程中學生難以通過信息科技的跨學科學習理解數字化學習工具的合理使用、信息的收集、在線交流與分享等數字化學習方法與策略，未能真正體驗人工智能對解決問題方法和思維方式的影響，學生的數字素養提升有限。

（二）信息科技跨學科主題學習情境虛擬化

《義務教育信息科技課程標準（2022版）》（以下簡稱“課標”）課程理念倡導真實性學習，在教學中以真實問題引導學生經歷原理運用、計算思維和數字化工具應用過程，構建知識，提升問題解決能力，通過真實情境的創設，提高學生的參與度，鼓勵做中學、用中學、創中學，凸顯學生的主體性[4]1?？鐚W科學習強調學生學科思維的綜合應用，將學科知識通過真實情境進行遷移和應用以解決真實性問題。在教學過程中創設情境“虛擬化”，容易將信息科技學科主題學習“游戲化”。例如，在“搭建簡易開關系統”的教學中，教師提供了多種開關系統設計的資料和視頻，要求學生根據提供的資源分小組通過闖關游戲學習物理、科學、工程等方面的知識，完成一個簡易的小型開關系統的設計報告。在跨學科學習過程中沒有工程實踐探究，教學場面看起來很“熱鬧”，學生學習得很“快樂”，但學習場景的“虛擬化”，導致學生對于過程與控制的知識點理解不透，未能真正體驗自主可控系統在解決問題時的重要性，難以將信息科技、數學、科學等跨學科知識融為一體，提升自身的綜合實踐能力。

（三）信息科技跨學科主題學習問題專業化

信息科技跨學科主題學習的內容要以問題解決為導向，以“問題串”驅動學生融合學科知識完成相應的任務。在教學過程中，跨學科學習的任務設計要將學習主題轉換成學生能夠理解的“學科問題串”，讓學習者能夠明確學習目標，獲取解決“學科問題串”的方法，實現知識的遷移與重構。在具體實施過程中，教師受自身專業的限制，往往追求設備的先進性，過分關注專業術語，設計教學主題體現出“問題的專業化”，導致學生對“問題串”無從下手，降低了學生參與活動的興趣。例如，在“萬物互聯的世界”教學中，教師設計“自動駕駛”主題活動，將信息科技、物理、數學等學科知識進行整合，在學習過程中，要求學生思考并理解深度學習的網絡模型，對“輸入層、隱藏層、輸出層”進行討論，并通過“MIND+”編程模擬深度學習的過程。在教學過程中，雖然教師提供了很多跨學科的資源，但問題設計專業化程度過高，已經超越了學生的認知能力，問題設計忽略了學生的學科基礎和學習經驗，無助于提高學生的跨學科思維。

（四）信息科技跨學科主題學習評價單一化

跨學科主題學習是以學生為主導的探究實踐活動，學習內容與教學過程有較大的自由度和生成性。跨學科主題學習教學評價應體現多元化，尊重學生在學習過程中的主體性，注重學生多學科融合的分析能力、跨學科思維過程、情感態度等發展狀況，全面評價學生核心素養的發展情況?？鐚W科主題學習評價既要考慮主導學科的評價，也要從復雜問題的角度對學科知識進行綜合評價。實踐操作過程中教學評價大多注重主導學科的評價，沒有反映學生知識的有效整合。例如在“無人機互聯表演”跨學科主題活動時，教師綜合信息科技、數學、物理、地理等知識，通過實物及模擬平臺，讓學生分組進行無人機組控制，完成校慶表演方案并進行實物演示。在教學過程中，教師的評價內容主要涉及無人機功能、物聯網知識、人工智能等信息科技學科等方面，導致各小組設計普遍比較傳統，在無人機組圖、線路方面的設計大致相同，缺乏創造性，未能通過跨學科主題學習讓學生感受自主可控的創新和原始創新的重要性。

二、STEM教育與信息科技跨學科主題學習

（一）STEM教育與信息科技跨學科主題學習的共性

STEM教育通過融合科學、技術、工程等學科知識來解決復雜問題[5]。STEM教育作為一種跨學科教育理念，打破了傳統的學科壁壘，有助于學生創造性、批判性、邏輯性思維能力的培養。同時STEM教育也不僅僅是在教育中整合了科學、技術、工程等學科，而且消除了學科之間的邊界，是一種教育思維的轉變。義務教育信息科技課程是一門綜合性學科，主要研究以數字形式表達的信息及其應用中的科學原理、思維方法、處理過程和工程實現，旨在培養科學精神和科學倫理[4]1。STEM教育與信息科技跨學科主題學習均以實踐力作為學生最基本的行為能力。在跨學科學習過程中，學生對跨學科知識點的內化通過探究過程逐一外現，然后借助工具平臺和適當的軟硬件進行工程實踐的探究。

（二）STEM教育與信息科技跨學科思維培養

STEM教育的開展主要是基于學科知識間的內在聯系，以問題解決為目標，培養學生跨學科思維能力。目前學科的融合過程主要是從“單學科”到“多學科”，最后到“跨學科”的發展變化，融合學科的數量與融合程度直接影響學生跨學科思維的層次。從“單學科”到“多學科”是根據參與課程融合的學科數目進行區分，學生在學習過程中思維的形成只是學科思維的疊加。從“多學科”到“跨學科”是根據學科思維及解決真實問題的復雜程度來進行區分，學生通過“跨學科”衍生出新的方法和技能，創造性地解決問題，其跨學科思維從“量”變發生了“質”的改變[2]60，問題解決能力和創新思維能力均得到顯著提高（見表1）。信息科技課程具有基礎性、實踐性和綜合性，教學內容串聯數據、算法、網絡、信息處理、信息安全和人工智能六大邏輯主線[4]2。STEM教育與信息科技教學內容有機融合，對應的跨學科主題內容學習圍繞計算思維、信息意識、數字化學習與創新、信息社會責任等信息科技核心素養，共同促進學生知識遷移能力和跨學科思維能力的提升，體現“科”與“技”并重。

三、STEM教育視域下信息科技跨學科主題學習課程設計基本要素

（一）面向學科融合與進階

從學科融合的角度來看，學科間相互獨立教學對學生深度思維發展不利，通過跨學科主題內容的學習，強調學科間的關聯，重視學生跨學科知識和技能的學習有助于學生問題解決能力和跨學科思維能力的培養，進一步體現信息科技學科的綜合性和實踐性。當前在信息科技跨學科教學中，STEM教育是跨學科融合的重要形式，根據跨學科融合的程度，經歷了早期的多學科組合、學科間整合到目前的跨學科融合三個階段（如圖1）。

課標的課程體系圍繞數據、人工智能等邏輯主線，分成四個學段由低到高安排教學內容，體現循序漸進和螺旋式發展。為落實義務教育信息科技課程核心素養，義務教育信息科技課程標準從數字設備體驗、數據編碼探秘、小型開關模擬、互聯智能設計四個方面設計了17個跨學科主題內容，融入了信息科技、語文、數學、科學、藝術、道德與法治等學科領域內容[4]13?？鐚W科主題從低階向高階過渡，強調學科知識間的結構化和關聯性，引導學生在探究任務中提升分析問題、解決問題的能力（如圖2）。例如，在信息科技課程中開展跨學科主題“數字設備”這一STEM項目時，按進階序列在第一、二、三、四階段分別設置“向伙伴推薦數字設備”“利用數字設備進行生活管理”“利用開源構建小型數字系統”“智能化的數字家居系統”等四個STEM跨學科主題活動，逐層將STEM教育的學科內容融入信息科技課程中，潛移默化地提升信息意識、信息社會責任、計算思維、數字化學習與創新等核心素養[4]5。

（二）面向真實問題與解決

基于STEM的信息科技跨學科主題學習立足學科深度融合，以真實問題為驅動，在STEM項目指引下，師生組建研究共同體，分析項目、提出問題、細化項目、探尋解決方案并逐步解決問題。教師依據學生特點設置合理的STEM項目，在教學中關注學科知識領域橫向和縱向的聯系，注重跨學科知識的聯結點，在學生創作過程中構筑知識點的融合，最終引導學生設計出貼近生活的實用型作品。例如，小學3—4年級信息科技課程中探究“燈的奧秘”這一真實問題，在實踐過程中，從了解程序和電路的基本知識、程序的基本結構、各類傳感器的性能，到創新設計各類智能燈，最后結合3D打印將設計創作的作品進行物化呈現展示（見表2）。

（三）面向工程設計與實現

實踐性和綜合性是跨學科主題學習的主要特點，也是信息科技課程的重要特征，信息科技課程提倡做中學、用中學、創中學，也正好契合STEM教育的核心理念。在信息技術跨學科主題學習中以STEM教育為載體，開展面向工程設計與實現的教學實踐，能更好地培養中小學生的工程思維和創新思維，提高學生解決復雜問題的能力（如圖3）。例如，在初中開展“紙飛機的設計與制作”跨學科實踐活動時，教師通過展示各類紙飛機飛行比賽場景，讓學生提出制作紙飛機的構想，運用網絡技術搜集“紙飛機”資料，并對資料進行分類分析。教師通過視頻講解紙飛機飛行原理及基本的構造，并對各種類型紙飛機進行原理解剖。學生分析討論確定各組制作紙飛機的初步方案，開展“紙飛機”的物化實踐并進行反復驗證，在此過程中對前幾個步驟進行評價并不斷地優化方案及制作步驟，最后將成品進行展示。學生在操場放飛小組同學共同完成的紙飛機，并分小組分享設計、制作和改進的過程，充分體現了跨學科學習的實踐成果。

（四）面向自主可控與創新

黨的二十大報告指出，“深入實施科教興國戰略，人才強國戰略，開辟發展新領域新賽道，不斷塑造發展新動能新優勢”。信息科技學科的“科學性”和“技術性”，在培養學生自主可控意識和原始創新精神方面具有獨特的價值。在信息科技學科中開展STEM教育是落實自主可控和創新教育的一種有效手段，也能從小培養學生的文化自信和民族自豪感。從課標中多次提到開源硬件和開源軟件可以看出，基于開源軟硬件的STEM項目設計與開發有益于激發學生創新的興趣，培養學生動手實踐的能力，同時也是在信息技術課程中實現培養科學精神和科技倫理，提升自主可控意識，培育社會主義核心價值觀，樹立總體國家安全觀，提升數字素養與技能的理想方法[5]1?；赟TEM的信息科技跨學科主題學習主要體現在設計思維的自主創新及產品物化的自主可控兩個方面，中小學信息教師應擔負起國產軟硬件教學的使命，在STEM項目教學中選擇自主知識產權的數字化工具來物化作品，體現作品的原創性，在項目中找到自身價值，培養自主可控意識。

（五）面向項目學習與實踐

基于STEM的信息科技跨學科主題學習將學信息科技與用信息科技有機結合，通過讓學生在真實性學習環境中進行做中學、用中學、創中學的方式發展學生核心素養，提升學生知識遷移能力和跨學科思維能力。面向項目學習與實踐的跨學科主題學習主要是讓學生在STEM項目背景下開展項目規劃、項目實施、項目評價、項目分享與交流等方面的實踐活動。例如，在小學5—6年級學生中開設在線智慧果園跨學科主題項目學習，結合數學、物理、科學等學科知識，為學校構建在線智慧果園平臺，讓學生在課堂中體驗種植、采摘等場景，請學生將溫度傳感器、聲音傳感器、超聲波等傳感器及開源板、杜邦線、蜂鳴器等硬件，與Mind+軟件結合開展STEM實踐，動態完善軟硬件設施，使學生掌握開源軟硬件設計基本方法，發展學生跨學科思維（見表3）。通過各項活動的開展與實施，靈活融合多學科知識，解決真實性問題，探究與體驗在線智慧果園軟件與硬件平臺搭建過程。在項目實施過程中針對項目實施過程進行評價，小組內學習借鑒并優化方案進行軟硬件的改進，最后展示各組的項目成果，每組匯報軟件平臺的構造過程，展示硬件平臺的運行情況，提出平臺未來的設計思想，迭代在線智慧果園平臺。

STEM教育與信息科技跨學科主題學習具有綜合性、實踐性、探究性的共同特征，將STEM教育融入信息科技跨學科主題學習之中是當前在信息科技課程中實施跨學科學習的一種有效途徑。STEM教育視域下信息科技跨學科主題學習是融合多學科知識發展學生跨學科思維的過程，是做中學、用中學、創中學的具體呈現?？鐚W科主題學習是學生主導的實踐活動，學生的學習過程具有較大的自由度和開放性，因此在開展STEM項目學習時應充分發揮評價激勵機制，鼓勵學生提出不同觀念，教學中應融合多學科知識，培養學生的跨學科思維，提倡學生應用信息科技學科方法去解決問題，充分體驗跨學科解決復雜問題的便捷，全面提升數字素養與技能。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育課程方案（2022年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]闕榮輝，周麗芳.STEM教育跨學科思維評價研究——基于化學師范生的實證分析[J].化學教育，2023（6）：59.

[3]萬昆.跨學科學習的內涵特征與設計實施——以信息科技課程為例[J].天津師范大學學報（基礎教育版），2022（5）：59.

[4]中華人民共和國教育部. 義務教育信息科技課程標準（2022年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

[5]夏立群.STEM教育對我國跨學科教育的啟示[J].大學教育，2023（1）：37.

責任編輯：趙赟

本文系江蘇省教育科學“十四五”規劃2021年度立項課題“基于開源硬件的區域創客教育實踐研究”（C-c/2021/02/227）、江蘇省教育科學“十四五”規劃2022年度重點課題“指向深度學習的‘宜人課堂區域建構的實踐研究”（B/2022/03/46）的研究成果。

收稿日期：2024-03-05

作者簡介：熊善軍，鎮江市丹徒區教師發展中心研訓員，正高級教師，主要研究方向為中小學信息科技教育、區域創客教育。